KR20110049259A - Negative electrode for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery including same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A negative electrode for a rechargeable lithium battery and a rechargeable lithium battery including the same are provided to improve battery characteristics and lifetime property of the rechargeable lithium battery due to excellent adhesive force to a current collector. CONSTITUTION: A negative electrode for a rechargeable lithium battery includes a current collector(2) and a active material layer(3) formed on the current collector. The active material layer is formed of active materials capable of forming a solid of metal M and a lithium-containing compound, wherein M is selected from Cu, Ti, Cu-X alloy, Ti-X alloy, and their mixture, wherein X is alkali metal, alkali earth metal, group 13 elements, group 14 elements, transition metal, rare earth metal, and their combination.

Description

리튬 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지{NEGATIVE ELECTRODE FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING SAME}A negative electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same {NEGATIVE ELECTRODE FOR RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY AND RECHARGEABLE LITHIUM BATTERY INCLUDING SAME}

본 기재는 리튬 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지 에 관한 것이다.The present disclosure relates to a negative electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery including the same.

최근의 휴대용 소형 전자기기의 전원으로서 각광받고 있는 리튬 이차 전지는 유기 전해액을 사용하여 기존의 알칼리 수용액을 사용한 전지보다 2배 이상의 높은 방전 전압을 보임으로써 높은 에너지 밀도를 나타내는 전지이다.[0002] Lithium secondary batteries, which have been popular as power sources for portable electronic devices in recent years, exhibit a high energy density by using an organic electrolytic solution and exhibiting discharge voltages two times higher than those of conventional batteries using an aqueous alkaline solution.

리튬 이차 전지의 양극 활물질로는 LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1-xCoxO2(0 < X < 1)등과 같이 리튬의 인터칼레이션이 가능한 구조를 가진 리튬과 전이 금속으로 이루어진 산화물을 주로 사용하였다. As a cathode active material of a lithium secondary battery, an oxide composed of lithium and a transition metal having a structure capable of intercalating lithium, such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , and LiNi 1-x Co x O 2 (0 <X <1) Was mainly used.

음극 활물질로는 초기에는 리튬 금속을 사용하였으나, 덴드라이트가 발생되어 수명이 매우 짧은 문제 등으로 인하여, 최근에는 리튬의 삽입/탈리가 가능한 인조 흑연, 천연 흑연, 하드 카본을 포함한 다양한 형태의 탄소계 재료가 사용되고 있다. 그러나 상기 탄소 계열의 음극 활물질은 덴드라이트 발생 문제는 해결할 수 있고, 저전위에서 전압 평탄성이 우수하고 양호한 수명 특성을 가지고 있으나, 유기 전해액과의 높은 반응성, 물질내 리튬의 낮은 확산 속도 등으로 인해 전력(power) 특성, 초기 비가역 제어, 충방전 중의 전극 부풀림 현상(swelling) 등의 문제점이 있다.Lithium metal was initially used as a negative electrode active material. However, due to a problem of dendrites occurring and a very short lifespan, various types of carbon-based carbonaceous materials including artificial graphite, natural graphite, and hard carbon, which can be inserted / desorbed of lithium, have recently been used. The material is being used. However, the carbon-based anode active material can solve the problem of dendrites and has excellent voltage flatness and good life characteristics at low potential, but due to high reactivity with the organic electrolyte and low diffusion rate of lithium in the material, power ( There are problems such as power characteristics, initial irreversible control, and electrode swelling during charging and discharging.

이에 따라, 덴드라이트 문제를 해결하여 장 수명 을 갖도록 리튬 합금을 음극 활물질로 사용하기 위한 연구가 진행되었다. 미국 특허 제 6,051,340 호에는 리튬과 합금되지 않는 금속과 리튬과 합금이 되는 금속을 포함하는 음극이 기술되어 있다. 이 특허에서 리튬과 합금이 되지 않는 금속은 집전체의 역할을 하며, 리튬과 합금이 되는 금속은 충전시 양극으로부터 빠져나온 리튬 이온과 합금을 형성하고, 이 합금이 음극 활물질로 작용하게 되며, 음극은 충전시 리튬을 포함하게 된다. 그러나 상술한 리튬 합금으로도 만족할만한 전지 특성을 얻기는 어려웠다.Accordingly, researches for using lithium alloy as a negative electrode active material to solve the problem of the dendrite has a long life. U. S. Patent No. 6,051, 340 describes a negative electrode comprising a metal that is not alloyed with lithium and a metal that is alloyed with lithium. In this patent, a metal that is not alloyed with lithium acts as a current collector, and a metal that is alloyed with lithium forms an alloy with lithium ions that have escaped from the anode during charging, and the alloy serves as a negative electrode active material, and the cathode Silver will contain lithium when charged. However, even with the lithium alloy described above, it was difficult to obtain satisfactory battery characteristics.

또한, 상기 음극 활물질로서 사용되는 탄소계 재료를 대체할 수 있는 재료로서 종래부터 규소, 주석 또는 이들의 화합물이 또한 검토되어 오고 있다. 그러나 상기 규소나 주석은 비가역 용량이 큰 문제가 있으며, 특히 규소는 충방전 사이클이 진행됨에 따라 수축, 팽창도가 심하여 음극 활물질이 탈락되어 리튬 이차 전지의 수명 특성을 저하시키는 문제점이 있다. 일본 후지 필름사에서 제안한 주석 산화물은 탄소계 음극 활물질을 대체할 새로운 재료로 각광을 받았으나, 30% 이하로 초기 쿨롱 효율이 낮으며, 계속적인 충전과 방전에 따른 리튬의 리튬-주석 합금 형성에 의하여 용량이 감소하고 수명 특성이 낮아서 실용화에 이르지 못하고 있는 실 정이다.In addition, silicon, tin, or a compound thereof has also been studied as a material that can replace the carbon-based material used as the negative electrode active material. However, the silicon or tin has a problem of large irreversible capacity, and in particular, silicon has a problem of severe shrinkage and expansion as the charging and discharging cycle progresses, so that the negative electrode active material is dropped, thereby deteriorating the life characteristics of the lithium secondary battery. The tin oxide proposed by Japan's Fujifilm Co., Ltd. was spotlighted as a new material to replace the carbon-based negative electrode active material, but the initial coulombic efficiency was lowered to 30% or less, and lithium-tin alloy was formed by the continuous charge and discharge Due to the reduced capacity and low life characteristics, it is not practical.

상기 리튬 이차 전지의 양극 및 음극은 이러한 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 혼합하여 슬러리 타입의 조성물을 제조하고, 이 조성물을 전류 집전체에 도포하여 제조된다. 이때 전류 집전체로는 양극에는 주로 알루미늄이 사용되고, 음극에서는 주로 구리가 사용되고 있다.The positive electrode and the negative electrode of the lithium secondary battery are prepared by mixing such an active material, a binder, and optionally a conductive material to prepare a slurry type composition, and applying the composition to a current collector. At this time, aluminum is mainly used for the positive electrode as the current collector, and copper is mainly used for the negative electrode.

최근에는 리튬 이차 전지의 에너지 밀도를 보다 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다.Recently, studies for further improving the energy density of lithium secondary batteries have been conducted.

본 발명의 구체예는 활물질의 체적 변화에 대한 완충작용이 우수한 리튬 이차 전지용 음극을 제공하는 것이다.Embodiment of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium secondary battery excellent in buffering effect on the volume change of the active material.

본 발명의 다른 구체예는 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법을 제공하는 것이다.Another embodiment of the present invention is to provide a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery.

본 발명의 또 다른 구체예는 상기 리튬 이차 전지용 음극을 포함하며, 에너지 밀도 및 수명 특성이 우수한 리튬 이차 전지를 제공하는 것이다.Another embodiment of the present invention is to provide a lithium secondary battery including the negative electrode for the lithium secondary battery, and excellent in energy density and life characteristics.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 집전체 및 상기 집전체에 형성되는 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 금속 M의 고용체(상기 M은 Cu, Ti, Cu-X 합금, Ti-X 합금(상기 X는 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 또는 이들의 조합에서 선택되는 원소이며, Cu 및 Ti는 아님) 또는 이들의 조합에서 선택됨)와, 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질로 이루어진 리튬 이차 전지용 음극을 제공한다. According to one embodiment of the present invention, a current collector and an active material layer formed on the current collector, the active material layer is a solid solution of metal M (the M is Cu, Ti, Cu-X alloy, Ti-X alloy ( X is an element selected from alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements, or combinations thereof, and not selected from Cu and Ti) or combinations thereof, and lithium The negative electrode for a lithium secondary battery which consists of an active material which can form a compound is provided.

상기 활물질층은 10 내지 70부피%의 기공도를 가질 수 있다.The active material layer may have a porosity of 10 to 70% by volume.

상기 금속 M의 고용체를 화학식으로 표현하면, LxNy(L은 Cu, Ti 또는 이들의 조합일 수 있고, N은 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 또는 이들의 조합에서 선택되는 원소이며, Cu 및 Ti는 아니고, x는 70 내지 100 중량%이고 y는 0 내지 30 중량%임)로 표현되는 금속 고용체일 수 있다.When the solid solution of the metal M is represented by a chemical formula, L x N y (L may be Cu, Ti, or a combination thereof, N is an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 element, a group 14 element, a transition metal, or a rare earth element). Or a combination thereof, and not Cu and Ti, x is 70 to 100% by weight and y is 0 to 30% by weight.

상기 활물질은 Si, Sn, Si-Q1 합금, Sn-Q2 합금(상기 Q1 및 Q2는 서로 독립적으로 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 또는 이들의 조합에서 선택되는 원소이며, Si 및 Sn은 아니다) 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있다.The active material may be Si, Sn, Si-Q1 alloy, Sn-Q2 alloy (wherein Q1 and Q2 are independently of each other alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth element, or a combination thereof Element, and not Si and Sn) or a combination thereof.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질과 금속 M(상기 M은 Cu, Ti, Cu-X 합금, Ti-X 합금(상기 X는 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 또는 이들의 조합에서 선택되는 원소이며, Cu 및 Ti는 아니다) 또는 이들의 조합에서 선택된다) 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 집전체에 열분사하여 활물질층을 형성하는 단계를 포함하는리튬 이차 전지용 음극의 제조방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, an active material capable of forming a lithium-containing compound and a metal M (The M is Cu, Ti, Cu-X alloy, Ti-X alloy (The X is alkali metal, alkaline earth metal, Group 13 An element selected from an element, a Group 14 element, a transition metal, a rare earth element, or a combination thereof, but not Cu and Ti), or a combination thereof) to prepare a mixture by mixing powder and collecting the mixture It provides a method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery comprising the step of thermally spraying on the whole to form an active material layer.

상기 활물질 분말은 100nm 내지 1㎛의 평균 입자 크기를 가질 수 있고, 또한 상기 금속 M 분말은 100nm 내지 1㎛의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.The active material powder may have an average particle size of 100 nm to 1 μm, and the metal M powder may have an average particle size of 100 nm to 1 μm.

상기 활물질 분말과 금속 M 분말은 30:70 내지 70:30의 중량비로 혼합될 수 있다.The active material powder and the metal M powder may be mixed in a weight ratio of 30:70 to 70:30.

상기 열분사 공정은 플라즈마 용사법, 아크 용사법, 초고속 화염 용사법, 가스 용사법 또는 이들의 조합에서 선택되는 방법으로 실시할 수 있다.The thermal spraying step may be carried out by a method selected from plasma spraying, arc spraying, ultrafast flame spraying, gas spraying, or a combination thereof.

또한 상기 열분사 공정은 10000 내지 18000℃의 온도에서 실시할 수 있으며, 분사시 혼합물은 100 내지 400m/sec의 분사속도로 분사될 수 있다.In addition, the thermal spraying process may be carried out at a temperature of 10000 to 18000 ℃, the mixture may be sprayed at a spraying speed of 100 to 400m / sec when spraying.

본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 또한 상기 음극 양극 및 전해질을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is also provided a lithium secondary battery comprising the negative electrode and the electrolyte.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 충방전에 따른 활물질의 팽창이 억제되고 집전체에 대하여 우수한 접착력을 가져, 결과 전지 적용시 리튬 이차 전지의 전지 특성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.The negative electrode for a lithium secondary battery according to the embodiment of the present invention has the expansion of the active material due to the charge and discharge is suppressed and has excellent adhesion to the current collector, resulting in improved battery characteristics and life characteristics of the lithium secondary battery when the application of the battery. .

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 본 발명이 제한되지는 않으며, 본 발명의 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, but the present invention is not limited thereto, but is defined only by the scope of the claims to be described later.

리튬 이차 전지에 있어서, 전극에서의 활물질들은 충방전이 진행됨에 따라 수축 팽창하게 된다. 특히 실리콘계의 음극 활물질은 그 체적변화가 심하다. 이와 같은 활물질의 체적 변화는 리튬 이차 전지의 수명특성의 저하를 초래한다는 문 제점이 있었다.In a lithium secondary battery, active materials in the electrode contract and expand as charge and discharge proceed. In particular, the volume change of the silicon-based negative electrode active material is severe. Such a change in the volume of the active material has a problem of causing a decrease in the life characteristics of the lithium secondary battery.

이에 대해 본 발명의 일 구현예에서는 활물질과 금속 분말의 혼합물을 열분사하여 활물질층을 형성함으로써 충방전에 따른 활물질의 체적 변화에 대하여 완충 작용을 나타내도록 하여 리튬 이차 전지의 전지 특성 및 수명 특성을 향상시킬 수 있다.On the other hand, in one embodiment of the present invention, by thermally spraying a mixture of the active material and the metal powder to form an active material layer, the battery and life characteristics of the lithium secondary battery are exhibited by exhibiting a buffering effect on the volume change of the active material due to charge and discharge. Can be improved.

즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극은, 집전체 및 상기 집전체에 형성되는 활물질층을 포함하고, 상기 활물질층은 금속 M의 고용체(상기 M은 Cu, Ti, Cu-X 합금, Ti-X 합금(상기 X는 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소 또는 이들의 조합에서 선택되는 원소이며, Cu 및 Ti는 아님) 또는 이들의 조합에서 선택됨)과, 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질로 이루어진다. That is, the negative electrode for a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention includes a current collector and an active material layer formed on the current collector, and the active material layer is a solid solution of metal M (wherein M is Cu, Ti, and Cu-X). Alloy, Ti-X alloy (wherein X is an element selected from alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements or combinations thereof, but not Cu and Ti) or combinations thereof Selected), and an active material capable of forming a lithium-containing compound.

즉, 상기 활물질층은 도전재 및 바인더를 포함하지 않고, 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질과 금속 M의 고용체로만 구성된다. 이를 화학식으로 표현하면, 활물질층은 A와 B의 혼합물로만 구성된다. 이때, A는 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질이고, B는 금속 M의 고용체로서, 상기 금속 M의 고용체를 화학식으로 표현하면, LxNy(L은 Cu, Ti 또는 이들의 조합일 수 있고, N은 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 또는 이들의 조합에서 선택되는 원소이며, Cu 및 Ti는 아니고, x는 70 내지 100 중량%이고 y는 0 내지 30 중량%임)로 표현되는 금속 고용체일 수 있다.That is, the active material layer does not contain a conductive material and a binder, and is composed of only an active material capable of forming a lithium-containing compound and a solid solution of metal M. Expressed in the formula, the active material layer is composed only of a mixture of A and B. In this case, A is an active material capable of forming a lithium-containing compound, B is a solid solution of the metal M, when the solid solution of the metal M is represented by the formula, L x N y (L may be Cu, Ti or a combination thereof) N is an element selected from alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth element, or a combination thereof, not Cu and Ti, x is 70 to 100% by weight and y is Metal solid solution of 0 to 30% by weight).

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 단면도로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 1을 참고하여 설명하면, 본 발명의 일 측면에 따른 리튬 이차 전지용 음극(1)은, 집전체(2) 및 상기 집전체(2)에 형성된 활물질층(3)을 포함한다. 상기 활물질층 내에는 기공(4)이 존재한다.1 is a cross-sectional view of a negative electrode for a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention, but the present invention is not limited thereto. Referring to FIG. 1, a lithium secondary battery negative electrode 1 according to an aspect of the present invention includes a current collector 2 and an active material layer 3 formed on the current collector 2. Pores 4 are present in the active material layer.

상기 집전체(2)로는 구리 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체 또는 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재를 사용할 수 있다. 집전체의 구체적인 예로는 구리 박 또는 니켈 박을 사용할 수 있다. The current collector 2 may be a copper foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam (foam), copper foam or a polymer substrate coated with a conductive metal. Specific examples of the current collector may be copper foil or nickel foil.

상기 폴리머로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리설폰, 이들의 공중합체 또는 이들의 조합에서 선택되는것을 사용할 수 있다.The polymer is selected from polyethylene terephthalate, polyimide, polytetrafluoroethylene, polyethylene naphthalate, polypropylene, polyethylene, polyester, polyvinylidene fluoride, polysulfone, copolymers thereof or combinations thereof. Can be used.

상기 집전체(2) 위에 활물질층(3)이 위치한다.The active material layer 3 is positioned on the current collector 2.

상기 활물질층(3)은 금속 M의 고용체(상기 M은 Cu, Ti, Cu-X 합금, Ti-X합금(상기 X는 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 또는 이들의 조합에서 선택되는 원소이며, Cu 및 Ti는 아님) 또는 이들의 조합에서 선택됨)과, 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질로 이루어진다.The active material layer 3 is a solid solution of metal M (the M is Cu, Ti, Cu-X alloy, Ti-X alloy (the X is alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth) Element selected from an element or a combination thereof, not Cu and Ti) or a combination thereof, and an active material capable of forming a lithium-containing compound.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질과 금속 M 분말의 혼합물을 집전체에 열분사함으로써 형성되는데, 분사된 상기 활물질 분말과 금속 분말의 혼합물이 고온의 열원내부를 통과하면서, 금속 분말은 전체적으로 완전하게 용융되고, 활물질 분말은 표면이 용융된 상태로 집전체에 충돌하게 된다. 즉, 본 발명의 일 구현예에서 상기 활물질 분말은 전체적으로 완전하게 용융되는 것이 아니고, 표면만 용융되고, 금속 분말은 전체적으로 완전하게 용융되는 것이다. 이때 표면 용융된 활물질 입자가, 완전하게 용융된 금속 분말이 서로 접하게 되고, 결과적으로 표면 용융된 활물질 입자가, 완전하게 용융된 금속 분말 내부로 박히게 되어 집전체 위에 존재하게 된다. 그 결과 활물질이 금속에 의해 강하게 연결되어있으므로 활물질의 팽창을 억제할 수 있으며, 금속이 바인더의 역할과 도전재의 역할도 하기에, 종래 활물질층 형성시 사용되던 도전재 및 바인더를 사용하지 않고서도 용이하게 음극을 제조할 수 있다.The negative electrode for a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention is formed by thermally spraying a mixture of an active material capable of forming a lithium-containing compound and a metal M powder onto a current collector, and the mixture of the injected active material powder and the metal powder has a high temperature. The metal powder melts completely as a whole while passing through the heat source, and the active material powder collides with the current collector while the surface is molten. That is, in one embodiment of the present invention, the active material powder is not completely melted entirely, only the surface is melted, and the metal powder is completely melted entirely. At this time, the surface-melted active material particles are brought into contact with each other, and the molten metal powder is completely melted. As a result, the surface-melted active material particles are lodged into the completely molten metal powder and are present on the current collector. As a result, since the active material is strongly connected by the metal, the expansion of the active material can be suppressed, and the metal also plays a role of the binder and the conductive material, and thus it is easy without using the conductive material and the binder used in the formation of the active material layer. The negative electrode can be prepared.

일반적으로 Si과 같은 활물질 입자와 금속은 서로 금속간 화합물을 형성하기 쉽고, 만약 금속간 화합물이 형성되며 이 금속간 화합물이 깨지기(brittle) 쉬운 문제가 있어 기계적 강도가 현저하게 낮으나, 상기 열분사 공정은 급속 용융 및 냉각을 가능하게 하므로 활물질 입자와 금속의 금속간 화합물 형성을 억제할 수 있다. In general, an active material particle such as Si and a metal are easy to form an intermetallic compound, and if the intermetallic compound is formed and the intermetallic compound is brittle, there is a problem that the mechanical strength is remarkably low. Since it enables rapid melting and cooling, the formation of the intermetallic compound of the active material particles and the metal can be suppressed.

또한 상기와 같이 제조된 활물질층내에는 활물질 분말과 금속 M 분말의 용접에 의해 기공이 형성되게 된다. 이때 형성되는활물질층은 10 내지 70부피%의 기공도를 가질 수 있고, 또한 20 내지 50부피%의 기공도를 가질 수도 있다. 활물질층에서의 기공도가 상기 범위에 포함되면, 활물질층의 체적변화에 따른 완충효과가 적절하면서, 전해액 침투 또한 용이하고, 적당한 기계적 강도를 유지할 수 있다.In addition, pores are formed in the active material layer prepared as described above by welding the active material powder and the metal M powder. In this case, the active material layer formed may have a porosity of 10 to 70% by volume, and may also have a porosity of 20 to 50% by volume. When the porosity in the active material layer is included in the above range, the buffering effect according to the volume change of the active material layer is appropriate, the electrolyte solution is also easily penetrated, and the appropriate mechanical strength can be maintained.

또한 상기 활물질층은 활물질 입자와 금속이 서로 접합되어 합금 형태로 존재하므로, 종래 도전재와 바인더의 유기물로 구성된 활물질층에 비하여 기계적 강 도가 매우 우수하다.In addition, since the active material particles and the metal are bonded to each other and exist in the form of an alloy, the active material layer has excellent mechanical strength as compared with an active material layer composed of an organic material of a conventional conductive material and a binder.

또한 상기 활물질층은 금속 분말이 표면 용융된 상태에서 집전체에 부착되기 때문에 집전체에 대하여 우수한 박리 강도를 나타낼 수 있다. In addition, the active material layer may exhibit excellent peeling strength with respect to the current collector because the metal powder is attached to the current collector in the state of surface melting.

또한 상기 활물질로는 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 물질을 사용할 수 있다. 활물질의 대표적인 예로는 Si, Sn, Si-Q1 합금, Sn-Q2 합금(상기 Q1 및 Q2는 서로 독립적으로 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 또는 이들의 조합에서 선택되는 원소이며, Si 및 Sn은 아니다) 또는 이들의 조합에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.In addition, a material capable of forming a lithium-containing compound may be used as the active material. Representative examples of the active material include Si, Sn, Si-Q1 alloy, Sn-Q2 alloy (Q1 and Q2 are independently of each other alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth element, or their Element selected from combinations, not Si and Sn), or combinations thereof.

상기 Q1 및 Q2는 서로 독립적으로 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다.Q1 and Q2 are independently of each other Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, or a combination thereof.

상기 활물질의 구체적인 예로는 Si 또는 Sn을 들 수 있다.Specific examples of the active material include Si or Sn.

상기 활물질은 활물질층 총 중량에 대하여 50 중량% 이상으로 포함될 수 있고, 60 내지 70중량%로 포함될 수도 있다. 활물질층의 함량이 50 중량% 이상인 경우, 적절한 전지 용량을 나타낼 수 있다. The active material may be included in an amount of 50 wt% or more based on the total weight of the active material layer, and may be included in an amount of 60 to 70 wt%. When the content of the active material layer is 50% by weight or more, an appropriate battery capacity may be exhibited.

상기 금속 M으로는 Cu, Ti, Cu-X 합금, Ti-X 합금(상기 X는 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 또는 이들의 조합에서 선택되는 원소이며, Cu 및 Ti는 아니다) 또는 이들의 조합에서 선택되는 사용할 수 있다. 또한 상기 X는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 X의 구체적인 예로는 Mg, Al 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 금속 M을 화학식으로 표현하면, LxNy(L은 Cu, Ti 또는 이들의 조합일 수 있고, N은 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 또는 이들의 조합에서 선택되는 원소이며, Cu 및 Ti는 아니고, x는 70 내지 100 중량%이고 y는 0 내지 30 중량%임)로 표현될 수 있다.Examples of the metal M include Cu, Ti, Cu-X alloys, and Ti-X alloys (wherein X is an alkali metal, an alkaline earth metal, a Group 13 element, a Group 14 element, a transition metal, a rare earth element, or a combination thereof. , And not Cu and Ti) or a combination thereof. In addition, X is Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, or a combination thereof. Specific examples of X include Mg, Al, or a combination thereof. When the metal M is represented by a chemical formula, L x N y (L may be Cu, Ti, or a combination thereof, N may be an alkali metal, an alkaline earth metal, a group 13 element, a group 14 element, a transition metal, a rare earth element, or An element selected from a combination thereof, not Cu and Ti, x is 70 to 100% by weight, and y is 0 to 30% by weight.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극은 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질 분말 및 금속 M(상기 M은 Cu, Ti, Cu-X 합금, Ti-X 합금(상기 X는 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Cu 및 Ti는 아니다) 금속 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 집전체에 열분사하여 활물질층을 형성하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.The negative electrode for a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention having the structure as described above is an active material powder and a metal M capable of forming a lithium-containing compound (the M is Cu, Ti, Cu-X alloy, and Ti-X alloy ( X is an element selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals, group 13 elements, group 14 elements, transition metals, rare earth elements, and combinations thereof, and not Cu and Ti). And thermally spraying the mixture onto a current collector to form an active material layer.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극의 제조공정을 간략하게 나타낸 공정도이다. 도 2를 참조하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질 분말 및 금속 M 분말을 혼합하여 혼합물을 제조한다(S1).2 is a process chart briefly showing a manufacturing process of a negative electrode for a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention. Referring to Figure 2 in more detail, first to prepare a mixture by mixing the active material powder and metal M powder capable of forming a lithium-containing compound (S1).

상기 활물질은 앞서 설명한 바와 동일하다.The active material is the same as described above.

상기 활물질 분말은 100nm 내지 1㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용할 수 있고, 200nm 내지 500nm의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용할 수도 있다. 활물질 분말의 평균 입자 크기가 상기 범위에 포함되면, 초기 효율을 유지하면서, 활물질 구조를 유지할 수 있어 사이클 수명 특성 또한 보다 잘 유지할 수 있다.The active material powder may be used having an average particle size of 100nm to 1㎛, may be used having an average particle size of 200nm to 500nm. When the average particle size of the active material powder is included in the above range, the active material structure can be maintained while maintaining the initial efficiency, so that the cycle life characteristics can be better maintained.

상기 금속 M 분말 역시 앞서 설명한 바와 동일하다.The metal M powder is also the same as described above.

상기 금속 M 분말은 100nm 내지 1㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용할 수 있고, 200nm 내지 500nm의 평균 입자 크기를 갖는 것을 사용할 수 있다. 금속 M 분말의 평균 입자 크기가 상기 범위에 포함되면, 활물질간의 접합이 보다 용이하며, 활물질 표면을 덮어 가역효율 등이 저하하는 등의 악영향을 나타내지 않는다.The metal M powder may be one having an average particle size of 100 nm to 1 μm, and one having an average particle size of 200 nm to 500 nm. When the average particle size of the metal M powder is included in the above range, the bonding between the active materials is easier, and does not exhibit adverse effects such as covering the surface of the active material and the reversible efficiency and so on.

상기와 같은 활물질 분말과 금속 M 분말은 30:70 내지 70:30의 중량비로 혼합될 수 있고, 40:60 내지 60:40의 중량비로 혼합될 수도 있다. 활물질 분말과 금속 M 분말의 혼합비가 상기 범위에 포함되는 경우, 도전성을 적절하게 확보하면서, 용량 및 가열 효율을 잘 유지할 수 있다.The active material powder and the metal M powder as described above may be mixed in a weight ratio of 30:70 to 70:30, or may be mixed in a weight ratio of 40:60 to 60:40. When the mixing ratio of the active material powder and the metal M powder is included in the above range, the capacity and the heating efficiency can be maintained well while appropriately securing the conductivity.

상기 제조된 활물질과 금속 분말의 혼합물을 집전체에 대해 열분사하여 활물질층을 형성한다(S2).The mixture of the prepared active material and the metal powder is thermally sprayed on the current collector to form an active material layer (S2).

상기 집전체는 앞서 설명한 바와 동일하다.The current collector is the same as described above.

상기 열분사 공정은 원재료 분말 및 집전체의 특성에 크게 영향을 미치지 않는 방법으로, 플라즈마 용사(溶射)법, 아크(Arc) 용사법, 초고속 화염 용사법(high velocity oxygen fuel spraying: HVOF), 가스 용사법 등이 있다. The thermal spraying process is a method that does not significantly affect the properties of the raw material powder and the current collector, plasma spraying method, arc spraying method, high velocity oxygen fuel spraying (HVOF), gas spraying method, etc. There is this.

상기와 같은 열분사 공정은 대기 중에서도 작업이 용이하고, 분말의 분사 속 도, 온도 등을 조절함으로써 생성되는 활물질층의 상태를 용이하게 조절할 수 있다. The thermal spraying process as described above is easy to work in the air, it is possible to easily control the state of the active material layer generated by adjusting the spraying speed, temperature and the like of the powder.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극을 제조하기 위하여 상기 열 분사 공정은 10000 내지 18000℃의 온도에서 실시될 수 있고, 12000 내지 15000℃의 온도에서 실시될 수도 있다. 열 분사 공정을 상기 온도에서 실시하는 경우, 활물질 및 금속 분말의 표면 용융이 충분하게 발생할 수 있고, 그 결과 활물질과 금속의 고용체가 용이하게 생성될 수 있고, 또한 적절한 기공도를 갖는 활물질층을 형성할 수 있다.In order to manufacture a negative electrode for a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention, the heat spraying process may be performed at a temperature of 10000 to 18000 ° C, or may be performed at a temperature of 12000 to 15000 ° C. When the thermal spraying process is performed at the above temperature, sufficient surface melting of the active material and the metal powder may occur, and as a result, a solid solution of the active material and the metal may be easily produced, and an active material layer having an appropriate porosity is formed. can do.

또한 열분사 공정시 활물질과 금속의 혼합물의 분사 속도는 100 내지 400m/sec일 수 있고, 200 내지 300m/sec일 수 있다. 분사 속도가 상기 범위에 포함되면, 혼합물중의 활물질과 금속의 고용체가 적절하게 형성될 수 있고, 또한 적절한 기공도를 갖는 활물질층이 형성될 수 있으며, 또한, 활물질 및 금속 분말의 표면 용융이 충분하게 발생할 수 있고, 그 결과 활물질과 금속의 고용체가 용이하게 생성될 수 있다.In addition, the injection speed of the mixture of the active material and the metal during the thermal spraying process may be 100 to 400m / sec, may be 200 to 300m / sec. When the spraying speed falls within the above range, a solid solution of the active material and the metal in the mixture can be appropriately formed, and an active material layer having an appropriate porosity can be formed, and the surface melting of the active material and the metal powder is sufficient. Can be generated, and as a result, a solid solution of the active material and the metal can be easily produced.

활물질과 금속 M분말의 혼합물이 상기와 같은 열분사 공정에 의해 열원을 통과함으로써 분말들의 표면이 용융된 상태로 집전체에 충돌하게 되여 고용체 형태로 집전체(2) 위에 기공을 포함하는 활물질층(3)을 형성하게 되고 결과 리튬 이차 전지용 음극(S3)을 제조할 수 있다. The mixture of the active material and the metal M powder passes through the heat source by the thermal spraying process, so that the surfaces of the powders collide with the current collector in a molten state, thereby forming an active material layer including pores on the current collector 2 in the form of a solid solution. 3) to form a negative electrode (S3) for the lithium secondary battery as a result.

이때 미세 활물질의 주변을 전기 전도도가 우수한 금속이 균일하게 둘러싸게 되므로 우수한 도전성을나타낼 수 있으며, 또한 집전체에 대해서도 우수한 접착력 을 나타낼 수 있어 별도의 도전제 및 바인더 사용이 불필요하다. 또한 활물질이 금속과 강하게 연결되어 있으므로 충방전에 따른 활물질의 팽창을 억제할 수 있다.In this case, since the metal having excellent electrical conductivity is uniformly enclosed around the fine active material, excellent conductivity can be exhibited, and excellent adhesion to the current collector can be obtained, so that a separate conductive agent and a binder are unnecessary. In addition, since the active material is strongly connected to the metal, expansion of the active material due to charge and discharge can be suppressed.

결과, 상기와 같은 제조 방법에 의해 제조된 리튬 이차 전지용 음극은 고용량 및 장수명 특성을 나타낼 수 있다.As a result, the negative electrode for a lithium secondary battery manufactured by the manufacturing method as described above may exhibit high capacity and long life characteristics.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면 상기 음극을 포함하는 리튬 이차 전지를 제공한다.According to another embodiment of the present invention provides a lithium secondary battery including the negative electrode.

도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 3 is a schematic cross-sectional view of a rechargeable lithium battery according to another embodiment of the present invention.

도 3을 들어 리튬 이차 전지를 설명하면, 상기 리튬 이차 전지(10)는 양극(20), 음극(30) 및 상기 양극(20)과 음극(30) 사이에 존재하는 세퍼레이터(40)에 함침된 전해액을 포함하는 전지 용기(50)와, 상기 전지 용기(50)를 봉입하는 봉입 부재(60)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the lithium secondary battery 10 is impregnated with a positive electrode 20, a negative electrode 30, and a separator 40 existing between the positive electrode 20 and the negative electrode 30. The battery container 50 containing electrolyte solution, and the sealing member 60 which encloses the said battery container 50 are included.

상기 음극(30)은 앞서 설명한 바와 동일하다.The cathode 30 is the same as described above.

상기 양극(20)은 집전체, 및 상기 집전체에 형성되는 양극 활물질층을 포함하며, 상기 양극 활물질층은 전기화학적인 산화환원이 가능한 활물질을 포함한다.The positive electrode 20 includes a current collector and a positive electrode active material layer formed on the current collector, and the positive electrode active material layer includes an active material capable of electrochemical redox.

상기 양극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물(리티에이티드 인터칼레이션 화합물)을 사용할 수 있다. 대표적인 예로는 코발트, 망간, 니켈, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 금속과 리튬과의 복합 산화물중 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 상기 양극 활물질의 구체적인 예로는 하기 화학식 중 어느 하나로 표현되는 화합물을 사용할 수 있다: As the cathode active material, a compound (lithiated intercalation compound) capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used. As a representative example, one or more of a complex oxide of metal and lithium selected from cobalt, manganese, nickel, and combinations thereof may be used. Specific examples of the positive electrode active material may be a compound represented by any one of the following formula:

LiaA1-bXbD2(상기 식에서, 0.95 ≤ a ≤ 1.1, 및 0 ≤ b ≤ 0.5이다); LiaA1-bXbO2-cDc(상기 식에서, 0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5 및 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaE1-bXbO2-cDc(상기 식에서, 0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaE2-bXbO4-cDc(상기 식에서, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05이다); LiaNi1-b-cCobXcDα(상기 식에서, 0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cCobXcO2-αTα(상기 식에서, 0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cCobXcO2-αT2(상기 식에서, 0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbXcDα(상기 식에서,0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α ≤ 2이다); LiaNi1-b-cMnbXcO2-αTα(상기 식에서, 0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNi1-b-cMnbXcO2-αT2(상기 식에서, 0.95 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.5, 0 ≤ c ≤ 0.05, 0 < α < 2이다); LiaNibEcGdO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.9, 0.001 ≤ d ≤ 0.2이다.); LiaNibCocMndGeO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0 ≤ b ≤ 0.9, 0 ≤ c ≤ 0.5, 0 ≤ d ≤ 0.5, 0.001 ≤ e ≤ 0.2이다.); LiaNiGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaCoGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMnGbO2(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ b ≤ 0.1이다.); LiaMn2GbO4(상기 식에서, 0.90 ≤ a ≤ 1.1, 0.001 ≤ b ≤ 0.2이다.); QO2; QS2; LiQS2; V2O5; LiV2O5; LiZO2; LiNiVO4; Li(3-f)J2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 3); Li(3-f)Fe2(PO4)3(0 ≤ f ≤ 2); LiFePO4 Li a A 1-b X b D 2 (wherein 0.95 ≦ a ≦ 1.1, and 0 ≦ b ≦ 0.5); Li a A 1-b X b O 2-c D c (wherein 0.95 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5 and 0 ≦ c ≦ 0.05); Li a E 1-b X b O 2-c D c (wherein 0.95 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05); Li a E 2-b X b O 4-c D c (wherein 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05); Li a Ni 1-bc Co b X c D α (wherein 0.95 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α ≦ 2); Li a Ni 1-bc Co b X c 0 2-α T α (wherein 0.95 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Co b X c 0 2-α T 2 , wherein 0.95 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2; Li a Ni 1-bc Mn b X c D α (wherein 0.95 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α ≦ 2); Li a Ni 1-bc Mn b X c 0 2-α T α (wherein 0.95 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni 1-bc Mn b X c O 2-α T 2 (wherein 0.95 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.05, and 0 <α <2); Li a Ni b E c G d O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.9, and 0.001 ≦ d ≦ 0.2); Li a Ni b Co c Mn d G e O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.5, 0 ≦ d ≦ 0.5, and 0.001 ≦ e ≦ 0.2); Li a NiG b O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.1 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a CoG b O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.1 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a MnG b O 2 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.1 and 0.001 ≦ b ≦ 0.1); Li a Mn 2 G b O 4 (wherein 0.90 ≦ a ≦ 1.1 and 0.001 ≦ b ≦ 0.2); QO 2 ; QS 2 ; LiQS 2 ; V 2 O 5 ; LiV 2 O 5 ; LiZO 2 ; LiNiVO 4 ; Li (3-f) J 2 (PO 4 ) 3 (0 ≦ f ≦ 3); Li (3-f) Fe 2 (PO 4 ) 3 (0 ≦ f ≦ 2); LiFePO 4

상기 화학식 1 내지 24에 있어서, A는 Ni, Co, Mn, 또는 이들의 조합에서 선택되고; X는 Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, 희토류 원소 또는 이들의 조합에서 선택되고; D는 O, F, S, P, 또는 이들의 조합에서 선택되고; E는 Co, Mn, 또는 이들의 조합에서 선택되고; T는 F, S, P, 또는 이들의 조합에서 선택되고; G는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, Fe, Sr, 또는 이들의 조합에서 선택되고; Q는 Ti, Mo, Mn, 또는 이들의 조합에서 선택되고; Z는 Cr, V, Fe, Sc, Y, Ti, 또는 이들의 조합에서 선택되며; J는 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, 또는 이들의 조합에서 선택된다. In Chemical Formulas 1 to 24, A is selected from Ni, Co, Mn, or a combination thereof; X is selected from Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, rare earth elements or combinations thereof; D is selected from O, F, S, P, or a combination thereof; E is selected from Co, Mn, or a combination thereof; T is selected from F, S, P, or a combination thereof; G is Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, Fe, Sr, or a combination thereof; Q is selected from Ti, Mo, Mn, or a combination thereof; Z is selected from Cr, V, Fe, Sc, Y, Ti, or a combination thereof; J is selected from V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, or a combination thereof.

물론 이 화합물 표면에 코팅층을 갖는 것도 사용할 수 있고, 또는 상기 화합물과 코팅층을 갖는 화합물을 혼합하여 사용할수도 있다. 이 코팅층은 코팅 원소의 옥사이드, 하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시하이드록사이드, 코팅 원소의 옥시카보네이트 및 코팅 원소의 하이드록시카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 코팅 원소 화합물을 포함할 수 있다. 이들 코팅층을 이루는 화합물은 비정질 또는 결정질일 수 있다. 상기 코팅층에 포함되는 코팅 원소로는 Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 코팅층 형성 공정은 상기 화합물에 이러한 원소들을 사용하여 양극 활물질의 물성에 악영향을 주지 않는 방법(예를 들어 스프레이 코팅, 침지법 등으로 코팅할 수 있으면 어떠한 코팅 방법을 사용하여도 무방하며, 이에 대하여는 당해 분야에 종사하는 사람들에게 잘 이해될 수 있는 내용이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.Of course, what has a coating layer on the surface of this compound can also be used, or the compound and the compound which has a coating layer can also be used in mixture. The coating layer may comprise at least one coating element compound selected from the group consisting of oxides, hydroxides of coating elements, oxyhydroxides of coating elements, oxycarbonates of coating elements, and hydroxycarbonates of coating elements. The compounds constituting these coating layers may be amorphous or crystalline. As the coating element included in the coating layer, Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr or a mixture thereof may be used. The coating layer forming process may use any coating method as long as it does not adversely affect the physical properties of the positive electrode active material by using such elements in the compound (for example, spray coating, dipping, etc.). Details that will be well understood by those in the field will be omitted.

상기 양극 활물질층은 또한 집전체와의 접착력 향상을 위한 바인더, 또는 전기 전도성 향상을 위한 도전재 등을 더 포함할 수도 있다.The positive electrode active material layer may further include a binder for improving adhesion to the current collector, a conductive material for improving electrical conductivity, and the like.

상기 바인더로는 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐디플루오라이드, 에틸렌 옥사이드를 포함하는 폴리머, 폴리비닐알코올, 카르복실화된 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리이미드, 폴리우레판, 에폭시 수지, 나일론, 카르복시메틸셀룰로오스, 히드록시프로필렌셀룰로오스, 디아세틸렌셀룰로오스, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라플루오로에틸렌, 스티렌-부타디엔 러버 및 아크릴레이티드 스티렌-부타디렌 러버로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.The binder may be polyvinyl chloride, polyvinyl difluoride, polymer containing ethylene oxide, polyvinyl alcohol, carboxylated polyvinylchloride, polyvinylidene fluoride, polyimide, polyurepan, epoxy resin, nylon Or at least one selected from the group consisting of carboxymethyl cellulose, hydroxypropylene cellulose, diacetylene cellulose, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, styrene-butadiene rubber and acrylated styrene-butadiene rubber Can be.

상기 도전재로는 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성 재료이면 어떠한 것도 사용가능하며, 그 예로 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 탄소섬유, 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말, 또는 금속 섬유 등을 사용할 수 있고, 또한 폴리페닐렌 유도체 등의 도전성 재료를 혼합하여 사용할 수 있다.As the conductive material, any battery can be used as long as it is an electronic conductive material without causing chemical change, and examples thereof include natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, copper, nickel, Metal powders, such as aluminum and silver, metal fiber, etc. can be used, and also conductive materials, such as a polyphenylene derivative, can be mixed and used.

상기와 같은 구성을 갖는 양극(20)은, 양극 활물질, 바인더 및 선택적으로 도전재를 용매 중에서 혼합하여 양극 활물질층 형성용 조성물을 제조한 후, 상기 양극 활물질층 형성용 조성물을 집전체에 도포한 후 건조 압연하여 제조할 수 있다. 이와 같은 전극 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략하기로 한다.In the positive electrode 20 having the above-described configuration, a positive electrode active material, a binder, and optionally a conductive material are mixed in a solvent to prepare a composition for forming a positive electrode active material layer, and then, the positive electrode active material layer forming composition is applied to a current collector. After dry rolling can be prepared. The method of manufacturing the electrode is well known in the art, and therefore, a detailed description thereof will be omitted herein.

상기 양극 활물질, 바인더 및 도전제는 앞서 설명한 바와 동일하다.The positive electrode active material, the binder, and the conductive agent are the same as described above.

상기 용매로는 N-메틸피롤리돈 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.N-methylpyrrolidone may be used as the solvent, but is not limited thereto.

상기 집전체로는 알루미늄 박, 니켈 박, 스테인레스강 박, 티타늄 박, 니켈 발포체(foam), 구리 발포체, 전도성 금속이 코팅된 폴리머 기재, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 알루미늄 박을 적절하게 사용할 수 있다.The current collector may be selected from the group consisting of aluminum foil, nickel foil, stainless steel foil, titanium foil, nickel foam (foam), copper foam, a polymer substrate coated with a conductive metal, and combinations thereof, Aluminum foil can be used suitably.

상기 리튬 이차 전지에 충전되는 전해질로는 리튬염을 비수성 유기용매에 용해시킨 것을 사용할수 있다. 상기 리튬염은 전지 내에서 리튬 이온의 공급원으로 작용하여 기본적인 리튬 이차 전지의 작동을 가능하게 한다. 상기 리튬염의 구체적인 예로는 LiSbF6, LiAsF6, LiClO4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiAlO4, LiAlCl4, LiSO3CF3, LiCl, LiI, LiB(C2O4)2, Li[N(SO2CF3)2], Li[N(SO2CF2CF3)2] 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다. As the electrolyte to be charged in the lithium secondary battery, a lithium salt dissolved in a non-aqueous organic solvent may be used. The lithium salt acts as a source of lithium ions in the battery to enable operation of the basic lithium secondary battery. Specific examples of the lithium salt include LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiClO 4, LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , Li S O 3 CF 3 , LiCl, LiI, LiB (C 2 O 4 ) 2 , Li [N (SO 2 CF 3 ) 2 ], Li [N (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 ], or a mixture thereof.

상기 리튬염의 농도는 0.6 내지 2.0 M 범위 내에서 사용할 수 있으며, 0.7 내지 1.6 M 범위 내에서 사용할 수도 있다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되 면, 적절한 점도를 유지할 수 있어, 우수한 전해액 성능 및 리튬 이온의 이동성을 나타낼 수 있다.The concentration of the lithium salt may be used in the range of 0.6 to 2.0 M, and may be used in the range of 0.7 to 1.6 M. If the concentration of the lithium salt is included in the above range, it can maintain an appropriate viscosity, it can exhibit excellent electrolyte performance and mobility of lithium ions.

상기 비수성 유기용매는 전지의 전기화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 한다. The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move.

상기 비수성 유기용매로는 카보네이트계, 에스테르계, 에테르계, 케톤계, 알코올계, 양성자성 또는 비양성자성 용매를 사용할 수 있다. 상기 카보네이트계 용매로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트(DPC), 메틸프로필 카보네이트(MPC), 에틸프로필 카보네이트(EPC), 메틸에틸 카보네이트(MEC), 에틸렌 카보네이트(EC), 프로필렌 카보네이트(PC), 부틸렌 카보네이트(BC) 등이 사용될 수 있으며, 상기 에스테르계 용매로는 n-메틸 아세테이트(MA), n-에틸 아세테이트(EA), n-프로필 아세테이트(PA), 디메틸아세테이트(DME), 메틸프로피오네이트(MP), 에틸프로피오네이트(EP), γ-부티로락톤(GBL), 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone), 등이 사용될 수 있다. 상기 에테르로는 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등이 사용될 수 있으며, 상기 케톤계 용매로는 시클로헥사논 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 알코올계 용매로는 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등이 사용될 수 있으며, 상기 양성자성 용매로는 디글라임(DGM), 테트라글라임 (TGM) 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 비양성자성 용매로는 T-CN(상기 T는 탄소수 2 내지 20의 직쇄상, 분지상, 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포 함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란(DOX) 등의 디옥솔란류; 설포란(sulfolane)류; 시클로헥산 등이 사용될 수 있다. The non-aqueous organic solvent may be a carbonate, ester, ether, ketone, alcohol, protic or aprotic solvent. Examples of the carbonate solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methylpropyl carbonate (MPC), ethylpropyl carbonate (EPC), methylethyl carbonate (MEC), and ethylene carbonate ( EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), etc. may be used. The ester solvent may be n-methyl acetate (MA), n-ethyl acetate (EA), n-propyl acetate (PA). , Dimethyl acetate (DME), methyl propionate (MP), ethyl propionate (EP), γ-butyrolactone (GBL), decanolide, valerolactone, mevalonolactone , Caprolactone, and the like can be used. As the ether, dibutyl ether, tetraglyme, diglyme, dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, etc. may be used, and cyclohexanone may be used as the ketone solvent. In addition, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, etc. may be used as the alcohol solvent, and diglyme (DGM), tetraglyme (TGM), etc. may be used as the protic solvent. In addition, the aprotic solvent is a nitrile such as T-CN (wherein T is a linear, branched, or cyclic hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms, and may include a double bond aromatic ring or an ether bond). Ryu; Amides such as dimethylformamide and dimethylacetamide; Dioxolanes such as 1,3-dioxolane (DOX); Sulfolane; Cyclohexane and the like can be used.

상기 비수성 유기 용매는 단독으로 또는 하나 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 하나 이상 혼합하여 사용하는 경우의 혼합 비율은 목적하는 전지 성능에 따라 적절하게 조절할 수 있고, 이는 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 널리 이해될 수 있다.The non-aqueous organic solvent may be used alone or in admixture of one or more. If the non-aqueous organic solvent is used in combination, the mixing ratio may be appropriately adjusted according to the desired cell performance. .

또한, 상기 카보네이트계 용매의 경우 환형(cyclic) 카보네이트와 사슬형(chain) 카보네이트를 혼합하여 사용하는 것이 좋다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 1:1 내지 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다. In the case of the carbonate solvent, it is preferable to use a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate. In this case, the cyclic carbonate and the chain carbonate may be mixed and used in a volume ratio of 1: 1 to 1: 9, so that the performance of the electrolyte may be excellent.

본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지에 있어서, 비수성 유기용매는 상기 카보네이트계 용매에 방향족 탄화수소계 유기용매를 더 포함할 수도 있다. 이때 상기 카보네이트계 용매와 방향족 탄화수소계 유기용매는 1:1 내지 30:1의 부피비로 혼합될 수 있다.In the lithium secondary battery according to the exemplary embodiment of the present invention, the non-aqueous organic solvent may further include an aromatic hydrocarbon organic solvent in the carbonate solvent. In this case, the carbonate solvent and the aromatic hydrocarbon organic solvent may be mixed in a volume ratio of 1: 1 to 30: 1.

상기 방향족 탄화수소계 유기용매로는 하기 화학식 25의 방향족 탄화수소계 화합물이 사용될 수 있다.As the aromatic hydrocarbon organic solvent, an aromatic hydrocarbon compound represented by the following Formula 25 may be used.

[화학식 25][Formula 25]

Figure 112009067933876-PAT00001
Figure 112009067933876-PAT00001

(상기 화학식 25에서, R1 내지 R6는 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 10의 알킬기, 할로알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.)(In Chemical Formula 25, R 1 to R 6 are each independently selected from the group consisting of hydrogen, halogen, an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a haloalkyl group, and a combination thereof.)

상기 방향족 탄화수소계 유기용매의 구체적인 예로는 벤젠, 플루오로벤젠, 1,2-디플루오로벤젠, 1,3-디플루오로벤젠, 1,4-디플루오로벤젠, 1,2,3-트리플루오로벤젠, 1,2,4-트리플루오로벤젠, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,3-디클로로벤젠, 1,4-디클로로벤젠, 1,2,3-트리클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠, 아이오도벤젠, 1,2-디아이오도벤젠, 1,3-디아이오도벤젠, 1,4-디아이오도벤젠, 1,2,3-트리아이오도벤젠, 1,2,4-트리아이오도벤젠, 톨루엔, 플루오로톨루엔, 1,2-디플루오로톨루엔, 1,3-디플루오로톨루엔, 1,4-디플루오로톨루엔, 1,2,3-트리플루오로톨루엔, 1,2,4-트리플루오로톨루엔, 클로로톨루엔, 1,2-디클로로톨루엔, 1,3-디클로로톨루엔, 1,4-디클로로톨루엔, 1,2,3-트리클로로톨루엔, 1,2,4-트리클로로톨루엔, 아이오도톨루엔, 1,2-디아이오도톨루엔, 1,3-디아이오도톨루엔, 1,4-디아이오도톨루엔, 1,2,3-트리아이오도톨루엔, 1,2,4-트리아이오도톨루엔, 자일렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.Specific examples of the aromatic hydrocarbon organic solvent include benzene, fluorobenzene, 1,2-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, 1,4-difluorobenzene, 1,2,3-tri Fluorobenzene, 1,2,4-trifluorobenzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene, 1,4-dichlorobenzene, 1,2,3-trichlorobenzene, 1 , 2,4-trichlorobenzene, iodobenzene, 1,2-dioodobenzene, 1,3-dioiobenzene, 1,4-dioiobenzene, 1,2,3-triiodobenzene, 1, 2,4-triiodobenzene, toluene, fluorotoluene, 1,2-difluorotoluene, 1,3-difluorotoluene, 1,4-difluorotoluene, 1,2,3-trifluor Rotoluene, 1,2,4-trifluorotoluene, chlorotoluene, 1,2-dichlorotoluene, 1,3-dichlorotoluene, 1,4-dichlorotoluene, 1,2,3-trichlorotoluene, 1, 2,4-trichlorotoluene, iodotoluene, 1,2-dioodotoluene, 1,3-diaodotoluene, 1 , 4-diaiodotoluene, 1,2,3-triiodotoluene, 1,2,4-triiodotoluene, xylene, and combinations thereof.

상기 전해질은 상기 전해질은 통상적으로 전지 특성 향상을 위하여 사용되는 첨가제를 더 포함할 수 있다. 구체적으로는 리튬 이차 전지의 열안전성을 향상시키기 위하여 하기 화학식 26의 구조를 갖는 에틸렌 카보네이트계 화합물 등을 사용할 수 있다:The electrolyte may further include an additive in which the electrolyte is typically used for improving battery characteristics. Specifically, in order to improve the thermal safety of the lithium secondary battery, an ethylene carbonate-based compound having a structure of Formula 26 may be used:

[화학식 26][Formula 26]

Figure 112009067933876-PAT00002
Figure 112009067933876-PAT00002

(상기 화학식 26에서, R7 및 R8는 각각 독립적으로 수소, 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 및 불소화된 탄소수 1 내지 5의 알킬기로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 X와 Y중 적어도 하나는 할로겐기, 시아노기(CN), 니트로기(NO2) 및 불소화된 탄소수 1 내지 5의 알킬기로 이루어진 군에서 선택된다.)(In Formula 26, R 7 and R 8 are each independently selected from the group consisting of hydrogen, a halogen group, a cyano group (CN), a nitro group (NO 2 ) and a fluorinated C1-5 alkyl group, wherein X And at least one of Y and halogen is selected from the group consisting of a halogen group, a cyano group (CN), a nitro group (NO 2 ), and a fluorinated alkyl group having 1 to 5 carbon atoms.)

상기 화학식 26의 구조를 갖는 에틸렌 카보네이트계 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌카보네이트, 디플루오로에틸렌카보네이트, 클로로에틸렌카보네이트, 디클로로에틸렌카보네이트, 브로모에틸렌카보네이트, 디브로모에틸렌카보네이트, 니트로에틸렌카보네이트, 시아노에틸렌카보네이트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 화합물을 들 수 있다. 이 중에서 플루오로에틸렌카보네이트를 적절하게 사용할 수 있다.Specific examples of the ethylene carbonate-based compound having the structure of Formula 26 include ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, difluoroethylene carbonate, chloroethylene carbonate, dichloroethylene carbonate, bromoethylene carbonate, dibromoethylene carbonate and nitroethylene And a compound selected from the group consisting of carbonates, cyanoethylene carbonates, and mixtures thereof. Among these, fluoroethylene carbonate can be used suitably.

상기 에틸렌 카보네이트계 첨가제의 함량은 특별히 한정되지는 않으나, 열안 전성 효과를 얻을수 있는 범위로 하여 적절히 첨가될 수 있다.The content of the ethylene carbonate-based additive is not particularly limited, but may be appropriately added in a range capable of obtaining a thermal stability effect.

리튬 이차 전지의 종류에 따라 양극과 음극 사이에 세퍼레이터(40)가 존재할 수 있다. 이러한 세퍼레이터(40)로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 2층 이상의 다층막이 사용될 수 있으며, 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2층 세퍼레이터, 폴리에틸렌/폴리프로필렌/폴리에틸렌 3층 세퍼레이터, 폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌 3층 세퍼레이터 등과 같은 혼합 다층막이 사용될 수 있음은 물론이다.The separator 40 may exist between the positive electrode and the negative electrode according to the type of the lithium secondary battery. As the separator 40, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride or two or more multilayer films thereof may be used, and polyethylene / polypropylene two-layer separator, polyethylene / polypropylene / polyethylene three-layer separator, polypropylene / polyethylene Of course, a mixed multilayer film such as a polypropylene three-layer separator can be used.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시에는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 1: 음극의 제조Example 1 Preparation of Negative Electrode

평균 입자 직경 200nm의 Si 분말과 평균입자직경 1㎛의 Cu 분말을 40:60의 중량비로 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 상기 제조된 혼합물을 Cu 집전체에 대해 15000℃의 열원을 마하 3의 속도로 통과하도록 열 분사하여 활물질층을 형성하여 리튬 이차 전지용 음극을 제조하였다. 이때 형성된 활물질층의 두께는 20㎛이었다.Si powder having an average particle diameter of 200 nm and Cu powder having an average particle diameter of 1 μm were mixed at a weight ratio of 40:60 to prepare a mixture. The prepared mixture was thermally sprayed to pass a heat source at 15000 ° C. at a speed of Mach 3 with respect to the Cu current collector to form an active material layer, thereby preparing a negative electrode for a lithium secondary battery. The thickness of the active material layer formed at this time was 20 μm.

실시예 2: 음극의 제조Example 2 Preparation of Negative Electrode

평균입자직경 1㎛의 Sn 분말과 평균 입자 직경 1㎛의 Ti 분말을 50:50의 중량비로 혼합한 혼합물을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 리튬 이차 전지용 음극을 제조하였다.A lithium secondary battery negative electrode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a mixture of Sn powder having an average particle diameter of 1 μm and Ti powder having an average particle diameter of 1 μm was used in a weight ratio of 50:50. It was.

실시예 3: 음극의 제조Example 3: Preparation of Negative Electrode

평균입자직경 200nm의 Si 분말과 평균 입자 직경 1㎛의 Cu-Al 합금분말을 50:50의 중량비로 혼합한 혼합물을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 리튬 이차 전지용 음극을 제조하였다.A negative electrode for a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a mixture of a Si powder having an average particle diameter of 200 nm and a Cu-Al alloy powder having an average particle diameter of 1 μm was used at a weight ratio of 50:50. Was prepared.

실시예 4: 음극의 제조Example 4 Preparation of Negative Electrode

평균입자직경 200nm의 SiNi 합금 분말과 평균 입자 직경 1㎛의 Ti 분말을 50:50의 중량비로 혼합한 혼합물을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 리튬 이차 전지용 음극을 제조하였다.A negative electrode for a lithium secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a mixture of SiNi alloy powder having an average particle diameter of 200 nm and Ti powder having an average particle diameter of 1 μm was used at a weight ratio of 50:50. It was.

비교예 1: 음극의 제조Comparative Example 1: Preparation of Negative Electrode

음극 활물질로서 평균입자 직경이 200nm인 Si 분말, 바인더로서 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및 도전재로서 카본(Super-P)을 94/3/3의 중량비로 혼합한 다음, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 음극 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 두께 10㎛의 구리 호일에 코팅한 후 건조, 압연하여 음극을 제조하였다. Si powder having an average particle diameter of 200 nm as a negative electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and carbon (Super-P) as a conductive material were mixed at a weight ratio of 94/3/3, and then N-methyl-2 Dispersion in pyrrolidone produced a negative electrode slurry. The slurry was coated on a copper foil having a thickness of 10 μm, dried, and rolled to prepare a negative electrode.

비교예 2: 음극의 제조 Comparative Example 2: Preparation of Negative Electrode

실리콘 90%, 니켈 10%이 완전하게 용해된 1400℃의 용탕을 구리 주형에 유입하고 급냉하여 실리콘 니켈 합금의 잉고트(ingot)를 제조하였다. 이 잉코트를 분쇄하였다. 이에 따라 얻어진 평균입자직경 0.1-10㎛의 실리콘 니켈 합금 입자와 평균입자 직경 30㎛의 니켈 입자를 80:20의 중량비로 혼합한 후 애트리터(attritor)를 이용하여 혼합 분쇄하여 실리콘 니켈 합금과 니켈이 균일하게 혼합된 혼합입자를 얻었다. An ingot of silicon nickel alloy was prepared by introducing a molten metal at 1400 ° C. in which 90% of silicon and 10% of nickel were completely dissolved in a copper mold. This incoat was crushed. The silicon nickel alloy particles having an average particle diameter of 0.1-10 μm and the nickel particles having an average particle diameter of 30 μm were mixed in a weight ratio of 80:20, and then mixed and pulverized using an attritor to obtain a silicon nickel alloy and The mixed particles in which nickel was uniformly mixed were obtained.

활물질로서 상기 혼합입자, 도전재로서 아세틸렌블랙(평균입자직경 0.1㎛), 바인더로서 폴리비닐리덴 플루로라이드를 80/10/10의 중량비로 혼합한 다음, N-메틸-2-피롤리돈에 분산시켜 음극 슬러리를 제조하였다.The mixed particles as an active material, acetylene black (average particle diameter 0.1 μm) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder were mixed at a weight ratio of 80/10/10, and then added to N-methyl-2-pyrrolidone. Dispersion gave a negative electrode slurry.

제조된 슬러리를 두께 35㎛의 구리박에 도포하여 건조시켜 두께 60㎛의 활물질층을 형성하였다. 건조 후의 활물질층을 전프레스 가공하였다.The prepared slurry was applied to a copper foil having a thickness of 35 μm and dried to form an active material layer having a thickness of 60 μm. The active material layer after drying was prepressed.

활물질층이 형성된 구리박을 도금욕(니켈 50g/l, 황산 60g/l, 온도 40℃)중에 침지하여 활물질층 상에 전해도금을 실시하였다. 활물질층 위에 형성된 표면 피복층을 롤프레스하여 음극을 제조하였다.The copper foil in which the active material layer was formed was immersed in a plating bath (nickel 50g / l, sulfuric acid 60g / l, temperature 40 ° C) and electrolytic plating was performed on the active material layer. The negative electrode was prepared by roll pressing the surface coating layer formed on the active material layer.

[충방전 시험용 테스트셀 제조][Manufacture of test cell for charge / discharge test]

상기 실시예 1-4, 및 비교예 1-2의 음극, 같은 직경의 원형으로 잘라낸 금속 리튬박 대극과, 상기 음극 및 대극 사이에 다공질 폴리프로필렌 필름으로 이루어진 세퍼레이터를 삽입하고, 전해액으로 프로필렌카보네이트(PC), 디에틸카보네이트(DEC)와 에틸렌카보네이트(EC)의 혼합 용매(PC:DEC:EC = 1:1:1)에 LiPF6가 1.3 몰/L의 농도가 되도록 용해시킨 것을 사용하여 코인형 반쪽 전지를 제조하였다.A separator consisting of a metal lithium foil counter electrode cut out into a negative electrode, the same diameter circular electrode, and a porous polypropylene film between the negative electrode and the counter electrode of Examples 1-4 and Comparative Example 1-2 was inserted, and propylene carbonate ( PC) and coin type using a solution of LiPF 6 dissolved in a mixed solvent of diethyl carbonate (DEC) and ethylene carbonate (EC) (PC: DEC: EC = 1: 1: 1) to a concentration of 1.3 mol / L. Half cell was prepared.

* 음극 팽창율* Cathodic expansion rate

상기 방법으로 제조된 코인 반쪽 전지를 0.2C로 충전을 1회 실시한 후, 음극의 두께를 측정하였다. 충전을 실시한 후의 음극의 두께를 충방전을 실시하기 전의 음극의 두께에 대한 % 비율로 하기 표 1에 나타내었다.After charging the coin half battery prepared by the above method at 0.2C once, the thickness of the negative electrode was measured. The thickness of the negative electrode after charging is shown in Table 1 below as a percentage of the negative electrode thickness before charging and discharging.

* 초기 충전 및 방전 용량* Initial charge and discharge capacity

상기 방법으로 제조된 코인형 반쪽 전지를 0.2C로 0.005V 컷-오프 충전 및 1.0V 컷-오프 방전으로 충방전을 1회 실시하여, 충전 및 방전 용량을 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The coin-type half-cell manufactured by the above method was charged and discharged once with 0.25C at 0.005V cut-off charge and 1.0V cut-off discharge, and the charge and discharge capacity were measured. The results are shown in Table 1 below. Indicated.

* 사이클 수명 * Cycle life

상기 방법으로 제조된 코인형 반쪽 전지를 0.2C로 50사이클 충방전을 실시한 후의 용량을 초기용량에 대한 %비율로 하기 표 1에 나타내었다.The capacity after 50 cycles of charging and discharging a coin-type half-cell prepared by the above method at 0.2C is shown in Table 1 as a percentage of the initial capacity.

음극 팽창율(%)Cathode Expansion Rate (%) 초기 충전용량
[mAh/g]
Initial charge capacity
[mAh / g]
초기 방전용량
[mAh/g]
Initial discharge capacity
[mAh / g]
초기효율
[%]
Initial efficiency
[%]
수 명
[%]
life span
[%]
실시예 1Example 1 3030 16001600 13601360 8585 9292 실시예 2Example 2 4242 12001200 996996 8383 9393 실시예 3Example 3 2525 18001800 16561656 9292 9696 실시예 4Example 4 1515 16001600 12961296 8181 8989 비교예 1Comparative Example 1 180180 20202020 16561656 8282 2525 비교예 2Comparative Example 2 156156 14201420 10651065 7575 1010

상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 활물질층내 기공도 및 합제 밀도에 따라 사이클 수명 특성이 큰 차이를 나타냄을 알 수 있다. 즉, 실시예 1 내지 4와 같이 기공을 포함하는 전극을 포함한 전지의 경우, 기공을 포함하지 않는 비교예 1에 비해 수명 특성이 현저히 향상됨을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the cycle life characteristics show a large difference according to the porosity and the mixture density in the active material layer. That is, in the case of the battery including the electrode containing pores as in Examples 1 to 4, it can be seen that the life characteristics are significantly improved compared to Comparative Example 1 does not contain pores.

또한, 비교예 2의 경우, 박리강도는 우수하였으나 충방전에 따른 활물질의 팽창이 커 실시예 1 내지 4에 비해 낮은 용량 및 수명특성을 나타내었다.In addition, in Comparative Example 2, the peel strength was excellent, but due to the expansion of the active material due to the charge and discharge showed a lower capacity and life characteristics compared to Examples 1 to 4.

이상을 통해 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the range of.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지용 음극을 개략적으로 나타낸 개략도.1 is a schematic diagram schematically showing a negative electrode for a rechargeable lithium battery according to one embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 음극의 제조방법을 간략하게 나타낸 공정도.Figure 2 is a process diagram showing a simplified method of manufacturing a negative electrode according to another embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 리튬 이차 전지의 단면도.3 is a cross-sectional view of a rechargeable lithium battery according to another embodiment of the present invention.

Claims (16)

집전체; 및 Current collector; And 상기 집전체에 형성되는 활물질층을 포함하고,An active material layer formed on the current collector; 상기 활물질층은 금속 M의 고용체(상기 M은 Cu, Ti, Cu-X 합금, Ti-X합금(상기 X는 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Cu 및 Ti는 아님) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택됨)와, 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질로 이루어진 것인 리튬 이차 전지용 음극.The active material layer is a solid solution of metal M (the M is Cu, Ti, Cu-X alloy, Ti-X alloy (the X is alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth element, and An element selected from the group consisting of a combination thereof, Cu and Ti is not selected) and a mixture thereof, and an active material capable of forming a lithium-containing compound. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 활물질층은 10 부피% 내지 70 부피%의 기공도를 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극.The active material layer is a lithium secondary battery negative electrode having a porosity of 10% by volume to 70% by volume. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 X는 Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 이차 전지용 음극.X is Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Ru , Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po And it is selected from the group consisting of a negative electrode for a lithium secondary battery. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 활물질은 Si, Sn, Si-Q1 합금, Sn-Q2 합금(상기 Q1 및 Q2는 서로 독립적으로 알칼리금속, 알칼리 토금속, 13족원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si 및 Sn은 아니다) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 이차 전지용 음극.The active material may be Si, Sn, Si-Q1 alloy, Sn-Q2 alloy (Q1 and Q2 are independently of each other alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth element, and combinations thereof The element is selected from the group consisting of, not Si and Sn) and a mixture thereof, the negative electrode for a lithium secondary battery. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 활물질은 Si 또는 Sn인 것인 리튬 이차 전지용 음극.Said active material is Si or Sn negative electrode for lithium secondary batteries. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 활물질은 활물질층 총 중량에 대하여 50 중량% 이상으로 포함되는 것인 리튬 이차 전지용 음극.The active material is a negative electrode for a lithium secondary battery that is contained in more than 50% by weight based on the total weight of the active material layer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 활물질은 활물질층 총 중량에 대하여 60 내지 70 중량%로 포함되는 것인 리튬 이차 전지용 음극.The active material is a negative electrode for a lithium secondary battery that is contained in 60 to 70% by weight based on the total weight of the active material layer. 리튬 함유 화합물을 형성할 수 있는 활물질 분말 및 금속 M(상기 M은 Cu, Ti, Cu-X 합금, Ti-X 합금(상기 X는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소 이며, Cu 및 Ti는 아니다) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된다) 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 및Active material powder and metal M capable of forming a lithium-containing compound (wherein M is Cu, Ti, Cu-X alloy, and Ti-X alloy (the X is alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal) , A rare earth element, and a combination thereof, and an element selected from the group consisting of Cu and Ti), and a mixture thereof) to prepare a mixture by mixing the powder; And 상기 혼합물을 집전체에 열분사하여 활물질층을 형성하는 단계를 포함하는 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.The method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery comprising the step of thermally spraying the mixture on a current collector to form an active material layer. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 활물질은 Si, Sn, Si-Q1 합금, Sn-Q2 합금(상기 Q1 및 Q2는 서로 독립적으로 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 13족 원소, 14족 원소, 전이금속, 희토류 원소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소이며, Si 및 Sn은 아니다) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.The active material may be Si, Sn, Si-Q1 alloy, Sn-Q2 alloy (The above Q1 and Q2 are independently of each other alkali metal, alkaline earth metal, group 13 element, group 14 element, transition metal, rare earth element, and combinations thereof It is an element selected from the group consisting of, not Si and Sn) and a mixture thereof, the method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 활물질 분말은 100nm 내지 1㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.The active material powder is a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery having an average particle size of 100nm to 1㎛. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 금속 M 분말은 100nm 내지 1㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.The metal M powder is a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery having an average particle size of 100nm to 1㎛. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 활물질 분말과 금속 M 분말은 30:70 내지 70:30의 중량비로 혼합되는 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.The active material powder and the metal M powder is a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery is mixed in a weight ratio of 30:70 to 70:30. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 열분사 공정은 플라즈마 용사법, 아크 용사법, 초고속 화염 용사법, 가스 용사법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.The thermal spraying process is selected from the group consisting of plasma spraying method, arc spraying method, ultra-fast flame spraying method, gas spraying method and combinations thereof. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 열분사 공정은 10000 내지 18000℃의 온도에서 실시되는 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.The thermal spraying step is a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery that is carried out at a temperature of 10000 to 18000 ℃. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 열분사 공정은 100 내지 400m/sec의 분사속도로 실시되는 것인 리튬 이차 전지용 음극의 제조방법.The thermal spraying step is a method of manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery that is carried out at a spray rate of 100 to 400m / sec. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 음극;The negative electrode of any one of Claims 1-7; 양극; 및 anode; And 전해질Electrolyte 을 포함하는 리튬 이차 전지.Lithium secondary battery comprising a.
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